第三章常用传感器.

ue
x
RL
u0
图3－6电阻分压电路
变阻器式传感器特点： 结构简单，性能稳定，使用方便。但由于受到电 阻丝直径的限制，分辨力很难小于20μm，噪音较大， 电刷与电阻元件之间接触面易磨损。
案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
比较
重量设定
案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ） 原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
第三章 常用传感器
定义：传感器是指感受规定的被测量，并按 一定方式将其转换成同种或别种量值输出的 器件。
传感器是人类感官的延伸。 传感器是测量仪器与被测事物之间的接口。 传感器处于测试装置的输入端，其性能直接影响 整个测试系统的工作质量。
第一节 常用传感器的分类
第二节 机械式传感器
常以弹性体作为敏感元件进行变换和测量的传 感器。输入量可以为力、压力、温度、位移、速度 等，输出量则为弹性体本身的弹性变形，这种变形 常转变成其他形式的变量。常用的弹性元件有弹性 梁、柱及筒、模片、模盒、弹簧管、波纹管等。
ue
x
B
Rp xp
x
RL
u0
感器的输出电压由下式计算：
图3－6电阻分压电路
1 1 I RL Rx u0
ue x R p (1 ) 1 1 x I p RL Rx 1
Rp xp
ue u0 xp Rp x ( )(1 ) x RL xp
上式表明：只有当Rp/RL趋于零， 输出电压u0才与位移成线性关系。
机械式传感器的优缺点：
1）结构简单、可靠、使用方便、价格低、 读数直观等。 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）弹性变形不宜大，以减小线性误差。 3）易受间隙影响，且惯性大，固有频率低， 只宜用于检测缓变或静态被测量。 4）弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象， 影响输入输出线性关系。
第三节 电阻、电容与电感式传感器
一. 电阻式传感器 把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 按工作原理可分为: 变阻器式、电阻应变式、热敏式、 光敏式、电敏式。 1.变阻式传感器（电位计式传感器） 通过改变电位器触头的位置，实现将位移转换为 电阻R的变化，其表达式为：
参数，具有体积小、动态响应快、测量精度高、
使用简便等优点，在航空、船舶、机械、建筑等
行业应用广泛。可分为金属电阻应变片与半导体
应变片。
箔式应变片
电阻丝的长度l、截面积A、电阻率ρ与电阻 值的关系为： R l / A
R R R dl dA d 阻值增量为： dR l A ldr l dR 2 dl 2 3 2 d r r dr r dl 2dr d R( ) l r dR dl 2dr d 式中：电阻丝半径为r 电阻相对变化 R l r
2. 电阻应变式传感器
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
应变片
（1）金属电阻应变片（丝式、箔式） 将应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量 变形的物体表面，在外力作用下，电阻丝随同物体一起 变形，其电阻值发生相应的变化，由此将被测量的变化 用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等 转化为电阻变化。
计dl /l＝ε表示电阻丝轴向相对变形，或称为纵向变形。 dr/r电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两 者之间的关系为： dr dl 电阻丝材料的泊松比
r l
电阻丝电阻率相对变化dρ/ρ与电阻丝轴向 所受正应力σ关系为： 材料弹性模量； d E 压阻系数 由电阻丝几
b.将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、 压力、加速度等物理参数的传感器。
例如：悬臂梁式加速度传感器由悬臂量、质量块、基 座组成。测量时，基座固定在振动体上，悬臂梁相 注意： 当于系统的”弹簧”。工作时，梁的应变与质量块 电阻应变片测出的是构件或弹性元件上某处的应变， 相对于基座的位移成正比，贴在梁上的应变片把应 不是该处的应力、力或位移，只有通过换算才能得到 变转换为电阻的变化，再通过电桥转换为电压输出。 相应的力。 粘合剂和粘合技术对测量结果的影响。 用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态响应特性. 温度所引起的电阻值变化与应变引起阻值变化具有同 等数量级。
2).角位移型变阻器式传感器 其阻值随电刷转角而变化，灵敏度S=Kα（α 为电刷转角；kα为单位弧度对应的电阻值）。
3).非线性变阻器式传感器（函数电位器） A 其骨架形状根据所要求的输出 f (x)决定。例如：输出f(x)=kx2 变阻器骨架应作成直角三角形。 变阻器式传感器的后接电 路采用分压电路，如图3-6，传
一般电阻应变片的标准阻值有60、120、 金属丝电阻应变片利用导体变形引 350、600和1000Ω。 起电阻变化；半导体应变片利用半导体 电阻率变化引起电阻变化。 (2)半导体应变片
工作原理：基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到 外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
l R A
其中－－电阻率；l 电阻丝长度； A 电阻丝的截面积。
如果电阻丝的直径和材质一定，则电阻值随导线长 度变化。常用的变阻器式传感器有直线位移型、角位移 型和非线性型等。 a).直线位移型变阻器式传感器 若触头B移动x，则 A、B间电阻值为: R=k1x 传感器灵敏度为: S=dR/dx=k1 k1－单位长度电阻值 当导线分布均匀时，k1为常数，传感器输出R与输入 x成线性关系。
何尺寸改变 引起的，对 于同一种材 料，是常数。
dR 2 E R 是由电阻丝 (1 2 E ) 的电阻率随 应变的改变 dR 引起的。 (1 2 ) 简化为： R 表明电阻相对变化率与应变成正比。
dR / R 灵敏度： S g 1 2 常数 dl / l
dR E R
Sg
dR / R

E
半导体应变片最突出的优点是：灵敏度高，机 械滞后小、横向效应小及本身体积小。其缺点：温 度稳定性差，灵敏度离散性大，以及在较大应变作 用下，非线性误差大等。
（3）电阻应变片的典型应用 案例1：桥梁固有频率测量
a.直接用来测定结构的应变或应力
为了研究机械结构、桥梁、建筑等某些构 件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不 同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，测 得构件的拉压应力、扭矩及弯矩等。